Рис. 3. Пример применения метода фиктивной сферы
Рис. 3. Пример применения метода фиктивной сферы

Авторы А.Б. Васенин (АО «Гипрогазцентр»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №5/2018

На опасных промышленных объектах, к которым, в частности, относятся практически все объекты ПАО «Газпром», широко внедряется современное электронное оборудования для систем управления, сигнализации, автоматики и связи [1–4]. Достоинствами данного процесса являются простота в использовании и расширение функциональных возможностей систем, их компактность [5–7]. Однако при эксплуатации сложных интеллектуальных систем проявляются недостатки в работе, представляющие собой сбои и отказы по причине их недостаточной помехоустойчивости к сильным электромагнитным возмущениям различной природы [8–10].

Причинами возникновения помех в системах управления являются:

  • совместное функционирование в реальных условиях эксплуатации мощного электрооборудования и маломощных систем по мере развития и усложнения их элементной базы [11–13];
  • действие внешних электромагнитных факторов природного, климатического и техногенного характера [14–16];
  • влияние электронных приборов друг на друга [17, 18].

Как показала практика, основными источниками помех являются молниевые разряды, низковольтное и высоковольтное силовое электрооборудование, а также портативные рации. Молниевые разряды являются одним из основных источников мощных и опасных электромагнитных помех. Система внешней (наружной) молниезащиты предназначена для защиты объекта от прямого попадания молнии. Она включает следующие компоненты: молниеприемники, систему токоотводов, заземляющее устройство, систему выравнивания потенциалов. Система внутренней молниезащиты предназначена для защиты от вторичных воздействий молнии. Внутренняя система молниезащиты состоит из шины выравнивания потенциалов, которая объединяет все протяженные металлоконструкции здания, и устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) различного вида. УЗИП нейтрализует импульс перенапряжения, попадающего внутрь здания по линиям электропередач или системам коммуникаций, защищая оборудование и кабели.

В этой связи возникает необходимость разработки проектных решений, направленных на защиту электронного оборудования от электромагнитных помех, в виде раздела «Электромагнитная совместимость. Молниезащита и заземление».

Система внешней защиты антенн

Проектирование системы внешней молниезащиты обусловлена необходимостью защиты объекта от прямого молниевого удара и вторичных проявлений. К вторичным проявлениям относятся мероприятия по предотвращению заноса высокого потенциала, исключению возникновения пожара и искрения.

Система молниезащиты проектируется в соответствии с отраслевым стандартом СТО Газпром 2-1-1.11-170–2007 [19–21], в составе которого отсутствуют какие-либо решения по молниезащите антенных опор и антенно-фидерных устройств. Однако данный вопрос носит более чем актуальный характер, так как зачастую антенное оборудование размещается на верхних площадках опор, которые, как любое высотное сооружение, наиболее подвержены возможному поражению прямого попадания молнии. На рис. 1 приведены фотографии сгоревшей антенны после поражения молнией.

Рис. 1. Фотографии антенн после попадания в них молнии
Рис. 1. Фотографии антенн после попадания в них молнии

Если следовать расчетам, проведенными в соответствии с нормативно-техническими документами (НТД), и определять зону молниезащиты антенной опоры как для стержневого молниеотвода, то получается, например, что для защиты антенны, расположенной на верхней площадке мачты высотой 70 м (h0 на рис. 2) необходимо устанавливать молниеприемник высотой минимум 15 м (h1). При реализации такого решения на практике существенно меняется конструкция опоры, что ведет к увеличению ее стоимости, а также необходимости дополнительного согласования высоты опоры с авиапредприятиями.

Рис. 2. Пример защиты АФУ по СТО Газпром
Рис. 2. Пример защиты АФУ по СТО Газпром

К тому же для объектов высотой более 60 м меняется характер попадания молний – разряд не всегда приходится в верхние точки объекта, а возможен и в нижние, вплоть до самого основания.

В решении данного вопроса необходимо использовать новую методику, описанную в Международном стандарте МЭК серии IEC 62305, некоторые положения которой приведены в отечественной инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.

По рекомендациям этих НТД в качестве способа молниезащиты предлагается использовать метод фиктивной сферы (сферы обкатывания). Метод фиктивной сферы требует, чтобы ни одна точка защищаемого объекта не находилась в контакте со сферой радиусом R (рис. 3), который зависит от уровня молниезащиты, обкатывающейся вокруг объекта во всех возможных направлениях, касаясь только поверхностей молниеприемников и плоскости, на которой установлен объект.

Рис. 3. Пример применения метода фиктивной сферы
Рис. 3. Пример применения метода фиктивной сферы

На основе метода обкатывающейся сферы были разработаны решения по молниезащите антенн, устанавливаемых в зоне прямого удара молнии. Принцип защиты заключается в создании системы молниеприемников, способных создать защитную зону для антенны. Молниезащита специализированных, но невзрывоопасных объектов выполняется по уровню защиты III, радиус сферы равен 45 м (рис. 4).

Рис. 4. Система молниезащиты антенны
Рис. 4. Система молниезащиты антенны

В ходе проектных работ системы молниезащиты антенн были применены на различных объектах, а взаимодействие с заводами-изготовителями антенных опор позволило разработать унифицированные конструкции систем молниезащиты для разных типов антенн. На рис. 5, а представлена установка системы молниезащиты антенн на антенной опоре.

Рис. 5. Установленная на антенной опоре система молниезащиты антенн (а) и схема установки химического электрода в грунте (б)
Рис. 5. Установленная на антенной опоре система молниезащиты антенн (а) и схема установки химического электрода в грунте (б)

Особенности построения заземляющих устройств

Заземляющее устройство (ЗУ) проектируется с учетом требований системы внешней молниезащиты, электробезопасности персонала согласно ПУЭ и обеспечения электромагнитной совместимости оборудования. Разработчики систем (заводы-изготовители) обычно выдвигают дополнительное требование о выполнении отдельного (изолированный) контура рабочего (функциональный) заземления с рекомендованным значением сопротивления растеканию 1 Ом (не более 3 Ом), расстояние выноса которого не менее 20 м от заземлителей системы молниезащиты зданий.

Контур заземления зданий, сооружений и конструкций на промышленном объекте, как правило, представляет собой горизонтальные заземлители (полосовая оцинкованная сталь 6×40 мм), проложенные на глубине 0,5 м, усиленные за счет установки вертикальных заземлителей (круглая оцинкованная сталь длиной 5 м, диаметром 16 мм), рис. 6.

Рис. 6. Пример выполнения рабочего и защитного заземляющего устройств
Рис. 6. Пример выполнения рабочего и защитного заземляющего устройств

В случае высокого сопротивления, характерного для вечномерзлых, скалистых или песчаных грунтов, нормируемые параметры ЗУ труднодостижимы, особенно для грунтов, где отсутствуют глубинные водоносные слои или камни препятствуют использованию глубинных вертикальных электродов.

Для таких случаев в проектах предусматривается установка химических электродов, специально разработанных для грунтов с высоким удельным сопротивлением (см. рис. 5, б). Принцип их работы за¬ключается в том, что залитая водой смесь минеральных солей внутри электрода просачивается в грунт через проделанные в нем отверстия, обеспечивая увеличение его проводимости.

ЗУ на основе химических заземляющих электродов могут быть использованы в качестве функционального, защитного заземления или заземления молниезащиты. На рис. 5, б представлена схема установки химического электрода в грунте.

На рис. 7 представлен пример выполнения функционального заземления на одном из объектов.

Рис. 7. Пример выполнения функционального заземления на основе химических электродов
Рис. 7. Пример выполнения функционального заземления на основе химических электродов

Таким образом, на основании анализа вопросов по организации системы внешней молниезащиты антенн, расположенных на вершинах антенных опор, и системе заземления для объектов, размещенных в районах с высоким удельным сопротивлением грунта, представлены реализованные на практике оптимальные технические решения.

Существующая отраслевая нормативная документация не содержит в своем составе решения по изложенным вопросам. Представляется целесообразным включение соответствующих пунктов в следующие редакции отраслевых и государственных стандартов.

Список литературы

  1. Milov V.R., Suslov B.A. Intellectual management decision support in gas industry//Automation and Remote Control. 2011. Т. 72. №5. С. 1095–1101.
  2. Крюков О.В. Энергоэффективные электроприводы ГПА на базе интеллектуальных систем управления и мониторинга // Дис. … д-ра техн. наук. М.: АО «Корпорация ВНИИЭМ», 2015.
  3. Степанов С.Е., Плехов А.С. Принципы автоматического управления возбуждением синхронных машин газокомпрессорных станций//Автоматизация в промышленности. 2010. №6. С. 29–31.
  4. Крюков О.В., Титов В.В. Разработка АСУ автономными ветроэнергетическими установками//Автоматизация в промышленности. 2009. №4. С. 35–37.
  5. Серебряков А.В. Метод и система принятия решений по прогнозированию технического состояния электроприводных газоперекачивающих агрегатов//Электротехнические системы и комплексы. 2015. №4 (29). С. 35–38.
  6. Kryukov O.V. Intelligent electric drives with IT algorithms//Automation and Remote Control. 2013. Т. 74. №6. С. 1043–1048.
  7. Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок// Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. №3 (19). С. 549–552.
  8. Степанов С.Е., Титов В.Г. Встроенные системы мониторинга технического состояния электроприводов для энергетической безопасности транспорта газа//Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. №2. С. 5–10.
  9. Серебряков А.В., Васенин А.Б. Нечеткие модели и алгоритмы управления энергетическими установками// Материалы конференции «Управление в технических, эргодических, организационных и сетевых системах». 2012. С. 467–469.
  10. Крюков О.В. Встроенная система диагностирования и прогнозирования работы асинхронных электроприводов//Изв. вузов: Электромеханика. 2005. №6. С. 43–46.
  11. Бабичев С.А., Захаров П.А. Мониторинг технического состояния приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов//Контроль. Диагностика. 2009. №7. С. 33–39.
  12. Серебряков А.В. Интеллектуальные энергетические установки для автономных систем электроснабжения. Н. Новгород: НГТУ, 2014. 135 с.
  13. Крюков О.В. Регулирование производительности электроприводных газоперекачивающих агрегатов преобразователями частоты//Компрессорная техника и пневматика. 2013. №3. С. 21.
  14. Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности электроприводных ГПА//Газовая промышленность. 2014. №6 (707). С. 86–89.
  15. Захаров П.А. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях // Вестник Ивановского государственного энергетического университета, 2008. №2. С. 98–103.
  16. Милов В.Р., Шалашов И.В. Процедуры прогнозирования и принятия решений сис¬теме технического обслуживания и ремонта//Автоматизация в промышленности. 2010. №8. С.47–49.
  17. Serebryakov A.V. A system of online diagnostics of the technical condition of wind power plants//Russian Electrical Engineering. 2015. T. 86. №4. C. 208–212.
  18. Крюков О.В. Частотное регулирование производительности электроприводных газоперекачивающих агрегатов//Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. №6. С. 39–43.
  19. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и коммуникаций ОАО «Газпром». СТО Газпром 2-1-1.11-170–2007. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007.
  20. Крюков О.В. Интеллектуальные электроприводы с IT-алгоритмами//Автоматизация в промышленности. 2008. №6. С. 36–39.
  21. Аникин Д.А., Рубцова И.Е., Киянов Н.В. Проектирование систем управления электроприводными ГПА//Газовая промышленность. 2009. №2. С. 44–47.